高速側銑參數對7050-T7451鋁合金表面粗糙度的影響

王瑩，王鵬，白敬彬，曹鵬飛，王晉鵬，魏海濤，楊昆明，李阿為

(1. 西安航空學院 機械工程學院，陜西 西安 710077；2. 航空工業西安飛機工業(集團)有限責任公司，陜西 西安 710089；3. 西安興航航空制造有限公司，陜西 西安 710003)

0 引言

航空鋁合金具有強度和硬度較高、導熱系數高、切削溫度有限、化學磨損小等特性[1]，是航空航天制造業常采用的材料之一。雖然鋁合金材料本身易于加工，但航空航天工業所要達到的高精密度和高質量[2]，顯然用普通的加工方法來加工鋁合金零件是不夠的。傳統銑加工的側銑具有高效率、高精度等優點[3]，而且可實現熱變形零件加工以及復雜材料加工[4]。但高速側銑受到切削參數的影響較多，目前還未建立完整的側銑加工體系。

表面粗糙度是評價表面質量的因素之一[5]，不同工藝加工的零件表面形貌存在結構性差異。正確選用評定參數對定量表征加工表面質量，從而進一步指導加工工藝的改進具有重要意義[6]。在不考慮機床及刀具本身剛性的情況下，切削參數對表面粗糙度有很大的影響[7]。由于加工表面的粗糙程度較為復雜，傳統的二維輪廓已不能全面表征出表面質量。因此，將三維參數用于評價、預測表面質量備受學者們關注[6，8-9]。李晟等[6]通過隨機森林算法，篩選出用于評定鈦材加工表面質量的參數集，發現由算術平均高度、方均根高度及偏斜度組成的參數集具有表征表面質量的最高重要性，并可精準區分不同加工表面。李文琴等[8]提出了一種基于灰色關聯度的三維表征表面粗糙度檢測指標，并用該檢測指標驗證了最優工藝參數，實現了表面粗糙度和表面異常特征最小化的目的。安琪等[9]對實測車削表面形貌的采集信號進行頻譜分析處理，提出了一種基于少量參數的車削表面形貌的仿真方法，并且得到了加工過程中各影響參數對表面形貌形成的影響規律。

三維參數表征具有更明確的表征指標，然而，除了表面粗糙度的預測方法不同之外，預測的準確性更需要與實際加工過程相對應。因此，本文通過研究航空鋁合金高速銑削加工中主軸轉速、銑削進給速度、徑向銑削深度等切削參數對工件表面粗糙度的影響，采用灰度分析和分形維數作為表征表面粗糙度的一種新方法，并通過實驗結果來驗證，目的在于為優化高速側銑加工工藝提供有力的參考依據。

1 高速側銑航空鋁合金7050-T7451實驗

1.1 材料選擇

本文選擇的航空鋁合金為7050-T7451，用于板材類零件，在航空制造中常用于飛機機翼以及飛機大梁材料。7050-T7451材料的組成成分及力學性能如表1、表2所示[10-11]。

表1 7050-T7451鋁合金質量分數 單位：%

表2 7系鋁合金力學性能

1.2 銑削參數及實驗設計

本次實驗采用VC-4016G龍門銑機床，加工刀具為φ16R0和φ10R1兩種硬質合金刀。主要切削參數為：主軸轉速、徑向切深和銑削進給速度。銑削方式為：順銑和逆銑。本文主要研究表3中的加工參數對表面質量及微觀組織的影響規律。

表3 側銑加工參數

切削進給方向如圖1所示。高速銑削前、后零件表面外觀如圖2所示。

圖1 切削進給方向

圖2 7050-T7451鋁合金零件

表面粗糙度測量采用TIME3221便攜式表面粗糙度測量儀。為了減小誤差，每個試樣的表面粗糙度取3次測量的平均值。儀器參數設置如表4所示。

表4 儀器測量參數

采用WMJ-9635金相顯微鏡觀察7050-T7451鋁合金表面微觀形貌，并和模擬表面形貌進行對比。

2 單一銑削參數對表面粗糙度的影響規律

2.1 主軸轉速對表面粗糙度的影響

試樣除主軸轉速不同外，其余加工參數均相同，具體參數如表5所示。試樣表面粗糙度的測量結果如圖3所示。

表5 側銑加工參數

圖3 不同主軸轉速表面粗糙度對比

由實驗結果可知，表面粗糙度和主軸轉速增加并沒有直接關系，當轉速增加到9 000 r/min時，表面粗糙度最低，為0.169μm。隨著機床主軸轉速繼續升高，表面粗糙度僅略微升高。分析可能由以下原因造成：1)在高速切削中，機床主軸高速旋轉，切削產生大量熱量，但大部分由切屑帶走，所以傳遞給加工表面的熱量并不多，導致切削表面的溫升并不是很大；2)高速切削時的塑性變形很小，使得加工表面的缺陷減少；3)隨著主軸轉速的繼續增高，引起的刀具振動也逐漸劇烈，刀具磨損加速，從而導致主軸轉速升高到一定數值后，表面粗糙度僅略微增高。并且，從圖3可知，隨著主軸轉速的增加，不論是順銑或逆銑，其變化趨勢均相同，均呈現先下降后升高的趨勢，在9 000 r/min時為最低值，且順銑的表面粗糙度總體較逆銑更低。參照金屬切削原理，在機床特征和刀具幾何參數確定的前提條件下，切削力與切削參數之間經驗公式的通用形式為[12]

Fθ=CFθvxFθapyFθfmFθawnFθd

(1)

式中：CFθ和加工材料、切削條件相關，工件為7050-T7451鋁合金，刀具材料為合金鋼；ap為銑削深度；v為銑削進給速度；f為進給量；aw為銑削寬度；d為刀具直徑。根據實驗的具體參數，可計算出x、y、z向切削力，由于y向計算值平均誤差最小[13]，故本文主要對比y方向切削力Fy，下同。經計算，切削力分別為75.42N、50.71 N、38.26 N，表明隨主軸轉速的增加，切削力逐漸減小。根據以上數據可知，主軸轉速使切削熱、刀具振動以及塑性變形等影響因素增多，切削力增加不一定會降低表面粗糙度值。

2.2 徑向銑削深度對表面質量的影響

試樣除徑向切削深度不同外，其余加工參數均相同，側銑加工參數見表6。測量結果如圖4所示。

表6 側銑加工參數

圖4 不同徑向銑削深度表面粗糙度

由圖4分析可知，表面粗糙度隨徑向切深的增大而增加，當徑向切深為0.5mm時，表面粗糙度最低。由于主軸高速旋轉時，徑向切深增加，切削面積增大，導致切削力增加，經計算可知切削力分別為20.24N、38.26N、72.35N，同時刀具振動變大，故而導致工件表面粗糙度增加。

2.3 銑削進給速度對表面粗糙度的影響

試樣除銑削加工速度不同外，其余加工參數均相同，側銑加工參數如表7所示。測量結果如圖5所示。

表7 側銑加工參數

圖5 不同銑削進給速度表面粗糙度

由圖5分析可知，隨著銑削進給速度的增加，無論逆銑或順銑，表面粗糙度均呈現先降低后升高的趨勢。整體來說順銑更低。在1 150m/min時，工件表面最為平滑。切削力經式(1)計算分別為51.65N、48.24N、44.76N。分析主要是因為主軸轉速增加會導致機床的振動加劇，引起刀具振動，然而銑削進給速度過大時也會導致刀具的溫度增加，造成切削變形。因此隨著切削速度增加，切削力雖有略微下降，但是仍然造成粗糙度略微增加。

2.4 刀具對表面粗糙度的影響

本小節主要探討刀具對表面粗糙度的影響。側銑刀具均為硬質合金刀，直徑分別為φ16R0和φ10R1。加工參數如表6所示，加工方式為順銑。

由圖6可知，當徑向切深<1mm時，兩種刀具加工出的表面粗糙度基本一致。然而，當切削深度達到2mm時，φ16刀具加工的表面粗糙度明顯低于φ10，經計算切削力如表8所示。

圖6 φ16R0和φ10R1順銑不同徑向切深表面粗糙度對比

表8 φ16及φ10切削力比較

從表8可知，φ16刀具的切削力明顯高于φ10，表明φ16刀具有更大的切削力以及切削強度，同時隨著徑向切深的明顯增加，φ16刀具加工出的表面粗糙度更低。

3 表面粗糙度與表面形貌的關系

根據前面的分析可知，順銑加工表面粗糙度優于逆銑。這是由于順銑加工作用在工件上的垂直切削分力總是壓在工件上，有利于工件的緊固，不容易引起振動；而逆銑加工則恰恰相反，不利于工件的緊固，容易引起振動。同時在逆銑時，每個切削刃的切削厚度是從零逐漸增加至最大，而且切削刃并不是絕對鋒利，因此在銑削過程中容易在工件表面上產生相對滑移，從而影響表面粗糙度。

研究學者發現，基于工程粗糙表面的微觀形貌具有統計自相似分形的特征，分形幾何學也可運用于金屬材料表面的形貌研究[14]。同時，粗糙表面的分形參數與加工條件密切相關。

為了進一步討論表面粗糙度和表面形貌的關系，將順銑和逆銑后工件的原始表面拍攝微觀照片，如圖7所示。

圖7 逆銑和順銑表面微觀形貌

由圖7(a)、圖7(b)分析可知，逆銑工件的表面波紋歪曲，波紋寬度約500μm，并且波紋間有明顯凸起的棱邊；而順銑工件的表面波紋較平直，間隔明顯變窄，平均寬度約89.5μm。從圖7(c)、圖7(d)可知，順銑工件的晶粒組織分布更加均勻、整齊，并且其中黑色的彌散相分布也更加均勻和統一。表明順銑加工出的工件微觀組織更好。

圖8展示出了逆銑和順銑的圖像灰度。從圖中可以看出，逆銑加工的表面尖峰有明顯的高低差異，在整個平面上某些固定間距的位置峰值明顯偏高，而其余位置由于峰谷較低所以未顯示出明顯粗糙表面。而順銑加工的表面，表面峰尖基本處于同一位置，表明整個表面粗糙情況基本一致，并且整體峰值偏低，故而說明順銑加工表面粗糙度更低。

圖8 逆銑及順銑加工表面圖像灰度值及盒維數

為了進一步說明表面粗糙的程度，對順銑及逆銑圖像進行灰度分析，即：把圖像放在在xOy平面上，像素的灰度值作為z軸上的值。灰度值能夠體現出加工表面的粗糙情況，不過曲面的復雜程度仍未能體現出來，由于這些灰度峰體現出分形結構的自相似性，因此可以采用分形維數來衡量圖像灰度的復雜程度，也就是圖像灰度曲面的復雜性分形維數越高代表曲面越復雜，圖像也越粗糙。公式(2)為分形維數的計算公式[15]。

(2)

4 結語

本文圍繞主軸轉速、徑向銑削深度、銑削進給速度以及刀具參數、加工方式等切削參數分析了不同參數對表面粗糙度的影響規律，并對比了順銑和逆銑加工件的表面形貌及表面灰度。主要結論如下：

1)表面粗糙度隨主軸轉速的增加呈現先降低后升高的趨勢，主軸轉速為9 000 r/min時，Ra最低為0.169μm；表面粗糙度隨徑向切深的增加而降低，切深0.5mm時，Ra最低為0.155μm；隨著切削進給速度的增加，切削力的波動造成表面粗糙度變化趨勢不穩定，進給速度為1 150m/min時，Ra最低，為0.17μm；

2)僅考慮刀具時，φ16刀具的切削力明顯高于φ10的，且切削強度和徑向切深更大，切深1.0mm以下時兩者表面粗糙度基本一致，切深2.0mm時φ16加工表面粗糙度最低，為0.401μm；

3)通過對被加工件表面形貌和表面灰度的分析可知，逆銑和順銑的分形維數分別為2.440 7和2.417 5，即逆銑加工的曲面更為復雜，順銑表面更平滑，其結論和表面粗糙度的實測值完全一致。